21. yüzyılın on yılında fiziğe ne oldu?
Bu on yıl sadece fizik tarihinde bir dönüm noktası değil, aynı zamanda bir dizi dönüm noktası oldu.
2010'lar yeni bilgi için inanılmaz bir on yıldı, ancak daha da önemlisi, bu on yılın keşifleri ve bunların büyük eksikliği, fizikçilerin kendi alanlarında düşünme biçimlerini değiştirdi. Parçacık fiziği ve astrofizik, araştırmacıların bilimsel araştırma yapma şeklini yeniden şekillendirecek yeni bir çağa girdi. Kuantum mekaniği çerçevesine dayanan yeni teknolojiler, hesaplama, malzeme bilimi ve enerji işlemede büyük bir değişime işaret edebilir.
Bilgisayar simülasyonları, yerçekimi dalgalarının iki kara deliğin çarpışmasıyla üretildiğini gösteriyor.
Stanford Üniversitesi'nde parçacık fiziği ve astrofizik doçenti olan Natalia Toro Astronomy Online'a şunları söyledi: "Bir paradigma değişiminin ortasındaymışız gibi geliyor," Nereye gittiğimiz belli değil ama sanırım bundan 50 yıl sonra. Burada son 10 yıl, fizik anlayışımızda büyük bir değişimin başlangıcı olarak görülecektir. "
En küçük maddeyi bulun
Geçtiğimiz on yılda, bilim insanlarının boyut anlayışı köklü bir değişim geçirdi. Belki de en önemlisi, bilim adamları İsviçre'nin Cenevre kentindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (17 millik dairesel parçacık hızlandırıcı ve çarpıştırıcı) bulunuyorlar. Higgs bozonunun varlığı, standart model olarak adlandırılan, parçacık fiziğinin merkezi teorisi tarafından tanımlanan son parçacıktır.
1964'ten önce, bazı teoriler evreni iyi tanımladılar, ancak bir problemleri vardı: Bazı fizikçilerin kütle parçacıklarının kütlesiz olması gerektiğini zaten bildiklerini tahmin ettiler. Altı bilim adamı (özellikle Peter Higgs), bu sorunu çözmek için üç makale yayınladı ve kütlenin "ölçüm bozonları" adı verilen yüklü parçacıklarda görünebileceği bir mekanizmayı detaylandırdı. Yani evreni açıklayan teoriler hala geçerli. Bu mekanizma başka bir parçacığın, Higgs bozonunun varlığını gerektirir. Birçok araştırmaya rağmen, Higgs bozonu bu on yıla kadar keşfedilmedi.
Avrupa Parçacık Fiziği Merkezi'ndeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 2008 yılında devreye alındı. Bu, bugüne kadarki en büyük bilimsel deneydir. 4 Temmuz 2012'de dünyanın her yerinden araştırmacılar oditoryumları ve konferans salonlarını kalabalıklaştırdı.Büyük Hadron Çarpıştırıcısını dinleyen araştırmacılar nihayet onları deneysel bina büyüklüğündeki iki dedektörde (ATLAS ve CMS) bulduklarını açıkladılar. Higgs bozonunun varlığı. Pek çok insan Standart Model tarafından tahmin edilen tüm parçacıkların bulunduğunu, yani modelin tamamlandığını söyledi ... Öyle mi?
Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda seçkin bir bilim insanı ve Avrupa Parçacık Fiziği Merkezi'nde CMS işbirliği sözcüsü yardımcısı Patty McBride, Astronomy Online'a "Standart Modelin tamamlanmasının bizim işimiz bitti demek olduğunu söylemek," dedi. "Hayır." Pek çok gizem var. Aslında, evrendeki maddenin yaklaşık% 96'sı hala Standart Model ile açıklanamıyor.
2012'den beri, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Şaşırtıcı derecede sessizdi. O zamandan beri, Standart Modeli test etmenin ilginç sonuçları birbiri ardına ortaya çıktı, ancak Higgs bozonundan sonra yeni parçacık keşfedilmedi. Fizikçiler, Avrupa Parçacık Fiziği Enstitüsü'nün süper parçacıklar gibi diğer parçacıkların kanıtlarını bulabileceğini umuyorlar. Bu parçacıkların, yerçekiminin neden diğer kuvvetlerden çok daha zayıf olduğunu (bir düşünün, tüm yerçekimi bir buzdolabı mıknatısının bir ataçı çekmesini engelleyemez) ve karanlık maddenin gerçek kimliğini aynı anda açıklayabileceği tahmin ediliyor.Bu gizemli maddeler, evreni oluşturuyor gibi görünüyor. Çerçeve, ancak doğrudan gözlemlenmedi. Hala taranacak büyük miktarda Büyük Hadron Çarpıştırıcısı verisi olmasına rağmen - Büyük Hadron Çarpıştırıcısı da daha yüksek bir çarpışma oranını korumak için yükseltilecek - bilim adamları bu parçacıkların işaretlerini bulup bulamayacaklarını merak etmeye başlıyorlar.
Ancak bir gün bu keşif eksikliği fizik tarihinde bir dönüm noktası olarak değerlendirilebilir. Parçacık fizikçileri, yüksek enerjili güç aramak yerine, teorik tahminlerden küçük ama istatistiksel olarak önemli sapmalar arayarak, çeşitli standart modellerin tahminlerini yüksek hassasiyetli deneylerle test etmek gibi yeni yollarla parçacıkları aramaya başladılar. Süper çarpıştırıcı. Bu aynı zamanda teorisyenleri kendi içlerinde olan düşünce kalıplarından çıkmaya ve karanlık madde gibi şeyler için yeni açıklamalar bulmaya teşvik eder.
Chicago Üniversitesi Astronomi ve Astrofizik Bölümü'nde profesör olan Josh Frieman, Astronomy Online'a şunları söyledi: "Yeni parçacıkları bulmak için daha yüksek enerjilere itmek (parçacık hızlandırıcıları) gittikçe daha teknik açıdan zor hale geliyor." "Parçacık fiziği topluluğu çeşitliliğe ihtiyacımız olduğunu fark etti. Dönüşüm yöntemi ... Bu çok zor bir problem olacak Zor bir problemle karşılaştığınızda, alet kutunuzdaki tüm araçları kullanmak isteyeceksiniz çünkü yeni fizik biraz belirsiz. "
Zamanın ve mekanın dalgalanması
Bu on yıl aynı zamanda en büyük ölçekte fizikte devrim yarattı. Bir asır önce, Einstein'ın genel görelilik teorisi, yüksek enerjili olayların zaman ve uzayda ışık hızında seyahat eden rahatsızlıklar üreteceğini öngörmüştü Bu tür rahatsızlıklara yerçekimi dalgaları deniyor. Bilim adamları uzun zamandır süpernova veya ikili kara delikler tarafından oluşturulan ve birbirini çevreleyen ve birbiriyle çarpışan yerçekimi dalgalarını arıyorlar. Dalgaların dolaylı kanıtı ilk olarak PSR 1913 + 16 adlı bir ikili pulsarın (dönen bir nötron yıldızı) keşfinde ortaya çıktı. Birkaç yıl sonra bilim adamları, yörünge döneminin tam olarak genel göreliliğin öngördüğü gibi kısaldığını ve sistemin yerçekimi dalgaları nedeniyle enerji kaybedeceğini fark ettiler. Diğer çalışmalara rağmen, doğrudan bir kanıt bulunamadı.
Başka bir deyişle, bu on yıla kadar. 14 Eylül 2015, saat 05: 51'de Doğu Saati'nde, her biri 1 mil uzunluğunda bir çift tünelden oluşan L şeklindeki iki tesis, biri Washington Eyaletinde, diğeri Louisiana'da dik açılarda buluştu. , Lazer faz kaymalarını ve gecikmelerini dedektöre kaydedin. Bu yalpalamalar, kütleleri Güneş'in 29 ve 36 katı kütleli iki kara delikten kaynaklanıyor, iç içe geçmiş ve sonra da yerçekimi dalgalarını 1,3 milyar ışıkyılı uzaklıktaki Dünya'ya yaymak için birleşmişler.
Daha sonra daha fazla gözlem yapıldı, ancak belki de daha çığır açan keşif, 2017'de, şimdi İtalya'daki benzer Başak deneyleriyle birleştirilen bu dedektörlerin yerçekimi dalgalarını ölçtüğü ve dünyadaki teleskopların da keşfedildiği zaman gerçekleşti. Gökyüzünün aynı noktasından radyo, ultraviyole, kızılötesi ve optik radyasyon. Bu enerji patlaması, şehir büyüklüğündeki yıldızların cesetleri olan iki nötron yıldızının çarpışmasının sonucudur. Bu olay, bilim adamlarının periyodik tablodaki en ağır unsurlardan bazılarının kökenini anlamalarına olanak sağladı ve bir gün bugünün fiziğinde evrenin hızlanmasının "krizini" çözmeye yardımcı olabilir. Bu paradigma değişiminin keşfi, çok elementli astronominin ayırt edici özelliğidir - yani, bilim adamları bir ışık kaynağını gözlemlemek için astronomideki ışık dalgalarının, diğer parçacıkların veya dalgaların tespitini kullanırlar. Teleskoplar başlangıçta yalnızca görünür ışığı ve ardından x-ışınları veya radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyonun diğer dalga boylarını kullanıyordu.Şimdi tamamlayıcı gözlemevleri, nötrinolar veya yerçekimi dalgaları gibi parçacıklardan gelen uzaydan gelen verileri içerebilir.
Harvard Üniversitesi bilim tarihi profesörü Peter Galison, Astronomy Online'a "Bu, çeşitli astronominin altın çağıdır."
Kara delikler alanı, başka şekillerde de bir dönüm noktası anı yaşadı.O zamanlar, dünyanın dört bir yanındaki radyo teleskoplarıyla ortaklaşa çalışan Event Horizon Teleskobu'ndan bilim adamları bir araya gelerek teleskoplarını M87 galaksisinin merkezindeki 6.5 milyara hedeflediler. Güneş kütlesinde kara delik. Bu, dünyanın ilk kara deliğinin görüntüsünü veya daha doğrusu, arkasında bir kara deliğin oluşturduğu gölgeyi oluşturdu. Araştırmacılar, bu ışığı büken nesnelerin kanıtlarını uzun zamandır görmüş olsalar da - dev dev devler, ışığın çekim kuvvetinden kaçamaması için zamanı ve uzayı bozmuştur - ancak bu gözlem, nesnelerden birinin en iyi doğrudan görüntüsünü üretir. Bilim adamları, bu keşfin kara delik biliminde yeni bir çağ başlatacağını umuyorlar ve süper kütleli kara deliklerin merkezinden fırlatılan devasa madde jetlerini daha iyi anlayabileceklerini umuyorlar.
10 Nisan 2019'da yayınlanan bir görüntüde Aktif Ufuk Teleskobu, M87 galaksisinin merkezinde, aktif ufku yakınında güçlü yerçekimi etkisi altında etrafında dönen sıcak gaz emisyonuyla ana hatlarıyla gösterilen bir kara deliği yakaladı. nın-nin. Resim kaynağı: Ulusal Bilim Vakfı, Getty Images
Galison, "(Kara delikler) kozmik ölçekli fenomeni etkileyebilir," dedi. "Bu nesnelerin Big Bang'den kısa bir süre sonra ışık yaydıklarını gördük. Görünür evrenin kenarındaki işaretler gibiler, bize ışıklarını parlatıyorlar. Bu jetlerin kökenini anlamak daha iyi bir kavrayış ... Galaksilerdeki maddenin dağılımını etkileyebilecek nesneler büyük önem taşıyor. "
Gerçek dünya fiziği
Geçtiğimiz on yılda, astrofizik ve parçacık fiziği alanlarında insanlar, büyük veri kümelerini sınıflandırmak için giderek artan bir şekilde makine öğrenimi algoritmalarını kullandılar. Toro Astronomy Online'a, makine öğrenimi yoksa, kara delik görüntüleri var olamaz - son on yılda parçacık fiziğindeki uygulaması bir "dönüm noktası" yaşıyor.
Bu on yıl, kuantum bilgisayarlar gibi parçacık fiziğine dayanan yeni bir teknoloji çağını da açtı. MIT matematikçisi Peter Shore, Astronomy Online ile yaptığı röportajda şunları söyledi: "Bence bu on yıl kesinlikle kuantum bilgisayarların bilim kurgudan gerçeğe dönüştüğü on yıl."
Bu kuantum cihazları, 1981'de Richard Feynman tarafından önerildi. Amaçları, sıradan bilgisayarların geleneksel mantık yerine atomları kullanamadığı bazı tuhaf ve altüst edilmiş olasılıksal matematik problemlerini çözmektir. Bilim insanları, bir gün moleküllerin davranışını simüle edebileceklerini veya bazı karmaşık algoritmaları çalıştırmak için yeni matematiksel ayarlamalar kullanabileceklerini umuyorlar. Temel olarak, sanki bu makineler olasılık dağılımları oluşturmak için sadece bozuk paraları çeviriyorlar. Bu paralar havada enerji darbeleriyle çalıştırılabilir. Olasılık kurallarının aksine, "paraları" birlikte eklediğinizde, bu kuantum olasılıkları değişebilir. Olağan madeni paralardan daha karmaşık bir olasılık dağılımına neden olan negatif bir işaret vardır.
Yale Üniversitesi'ndeki fizikçiler, yapay atomların ve kuantum hesaplamanın en küçük birimi olarak görev yapan süper iletken tellerden oluşan bir döngü olan "bükülmüş kübit" i icat etmeleri 2007 yılına kadar değildi. Bugün, hem IBM hem de Google, belirli sorunlarla başa çıkmada geleneksel bilgisayarları geride bırakmaya başlayan 50'den fazla kübit makine geliştirdi. Aynı zamanda, diğer şirketler de lazerle sabitlenmiş atomlara dayalı benzer boyutta cihazlar piyasaya sürdü. Bu makineler için yazılım araçları veya donanım bileşenleri sağlayan start-up şirketlerinin tüm sistemi de geliştirilmiştir.
Süslü rasgele sayı üreteçleri dışında, bu makinelerin geleneksel bilgisayarlara göre avantaj sağlamaları onlarca yıl alabilir. Dış titreşim veya radyasyon nedeniyle orijinal kalitelerini kaybetmeden kontrol etmek zordur. Yine de yanlış sonuçlar üretebilirler - örneğin, ikili dizedeki 0, 1 karakter çıktısı vermelidir. Araştırmacılar şimdi, hatalara eğilimli olmayan "mantıksal" bir kübit oluşturmak için birden çok kübiti birleştirerek hata düzeltme elde etmek için çalışıyorlar. Fizikçilerin hayalini kurduğu, gerçek anlamda "hataya dayanıklı" genel amaçlı bir kuantum bilgisayar, tam potansiyelini gerçekleştirmek için milyonlarca kübite ihtiyaç duyabilir.
Ancak fizikçiler, iyi yapmasalar bile hala ilginç şeyler yapan bu küçük ve gürültülü cihazların kullanımını keşfedebileceklerini umuyorlar. 2017'nin başlarında, California Institute of Technology'de fizikçi olan John Preskill, gürültülü orta ölçekli kuantum teknolojisi (NISQ) çağı adı verilen yeni bir kuantum hesaplama çağına girdiğimizi duyurdu.
Geçtiğimiz on yılda, bilim adamları kuantum mekaniğinin tekilliklerini yeni algılama teknolojilerine dahil ettiler.Çinli bilim adamları, Çin ve Avusturya arasındaki video görüşmelerini şifrelemek için kuantum mekaniğinin matematiksel ilkelerini kullanan bir uyduyu fırlattılar. Kuantum biliminin ötesine geçerek malzeme bilimine geçen araştırmacılar, elektriği oda sıcaklığına yakın sıcaklıkta dirençsiz ileten ilk malzemeyi yaratmış olabilirler - on yıllardır demlenen bir başka keşif. Daha geçen yıl, bilim insanları süperiletkenliği iki grafen katmanında sadece küçük bir değişiklikle açıp kapatabileceklerini keşfettiler.Bu keşif, o zamandan beri iki boyutlu sistemler üzerinde bir takip araştırması dalgasını tetikledi.
Yazar: Ryan F.Mandelbaum
FY: Mu Ke
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden basım için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
